Mechanics of back arc deformation in Costa Rica: Evidence from an aftershock study of the April 22, 1991, Valle de la Estrella, Costa Rica, earthquake (Mw=7.7)

Abstract

The April 22, 1991, Mw=7.7 Valle de la Estrella, Costa Rica, earthquake represents back arc thrusting of the Caribbean plate beneath the Panama block along the North Panama Thrust Belt. Large back arc thrusting events are quite rare, occurring in only two other locations along the Sunda Arc and JapanS ea. To betteru nderstandth e mechanicso f back arc thrusting, we constrain the faulting geometry associated with the 1991 Costa Rica earthquake using aftershock locations and focal mechanisms obtained from a threecomponent portable digital network deployed in and around the aftershock area following the mainshock. The spatial distribution of aftershocks reveals a complicated faulting geometry in the rupture area. Focal mechanisms determined from inversion of P wave and tangentially and radially polarized S wave (SH and SV, respectively) amplitudes recorded by this temporary network confirm fault complexity and indicate active thrust, normal and strike-slip faults in the back arc of Costa Rica. Most of the thrust events are confined to the southern portion of the aftershock zone in the vicinity of the mainshock. Their distribution suggests the existence of a near-horizontal basal fault plane at a depth of about 15 km, with many imbricate faults having steeper dips extending from the basal plane toward the surface. Events with strike-slip mechanisms locate northwest of the thrust events and define a SW-NE trending, left-lateral strike-slip fault zone that represents the NW termination of the mainshock rupture and possibly the maximum NW extension of the Panama block. The superposition of the aftershock locations on a geologic map of the region shows that aftershocks are restricted to occur in the older, more competent rock units (volcanic and volcaniclastic rocks interbedded with carbonates) of the back arc sedimentary basin. Shallow events (depth<5 km) occur only where these oldest units are exposed at the surface. This suggests that (1) exposure of the lower units results from repeated earthquake slip on the shallow crustal faults imaged by the aftershocks and (2) as much as 7 km of basin fill material, overlying the lower units, northeast of the mainshock, does not deform seismically but, instead, folds and possibly faults aseismically.El terremoto del 22 de abril de 1991, Mw=7,7 Valle de la Estrella, Costa Rica, representa el empuje del arco posterior de la placa placa del Caribe bajo el bloque de Panamá a lo largo del Cinturón de Cinturón de empuje del norte de Panamá. Los grandes eventos de empuje de arco posterior son bastante raros, ya que sólo se producen en otros dos lugares a lo largo del Arco de Sunda y el Mar de Japón. Para comprender mejor la mecánica del empuje de arco posterior de empuje del arco posterior, restringimos la geometría de la falla asociada con el terremoto de Costa Rica de 1991 utilizando las localizaciones de las réplicas y los mecanismos focales de las réplicas y los mecanismos focales obtenidos a partir de una red digital portátil de tres componentes desplegada en la zona de las réplicas y sus alrededores tras el terremoto. de tres componentes desplegada en la zona de la réplica y sus alrededores tras el terremoto principal. La distribución La distribución espacial de las réplicas revela una complicada geometría de complicada en la zona de ruptura. Los mecanismos focales determinados a partir de la inversión de las ondas P y de las ondas S polarizadas tangencial y radialmente polarizadas tangencial y radialmente (SH y SV, respectivamente) registradas por esta red temporal confirman la complejidad de la falla e indican la existencia de fallas activas de empuje, normales y de deslizamiento en el arco posterior de Costa Rica. La mayoría de los eventos de empuje están confinados a la porción sur de la zona de réplica en la vecindad de la del choque principal. Su distribución sugiere la existencia de un plano de falla basal casi horizontal a una profundidad de unos 15 km, con muchas fallas imbricadas con buzamientos más pronunciados que se extienden desde del plano basal hacia la superficie. Los eventos con mecanismos de deslizamiento de deslizamiento se sitúan al noroeste de los eventos de empuje y definen una una zona de fallas de deslizamiento lateral izquierda con tendencia SW-NE que representa la terminación NO de la ruptura principal y posiblemente la posiblemente la máxima extensión hacia el NO del bloque de Panamá. La superposición de las localizaciones de las réplicas en un mapa geológico geológico de la región muestra que las réplicas se limitan a en las unidades rocosas más antiguas y competentes (rocas volcánicas y volcánicas y volcaniclásticas intercaladas con carbonatos) de la cuenca de la cuenca sedimentaria del arco posterior. Los eventos poco profundos (profundidad<5 km) ocurren sólo donde estas unidades más antiguas están expuestas en la superficie. Este sugiere que (1) la exposición de las unidades inferiores es el resultado de deslizamiento sísmico repetido en las fallas poco profundas de la corteza de las réplicas y (2) hasta 7 km de material de relleno de la cuenca de relleno de la cuenca, que recubre las unidades inferiores, al noreste del de la réplica principal, no se deforma sísmicamente, sino que se pliega y, posiblemente, se pliega asísmicamente.